книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

В почве имеется значительное количество неживого органического вещества: разлож ивш иеся растительны е остатки — 200 млрд т, скоп­ ления торфа — 500 млрд т и почвенный гумус. П римерно за 1000 л ет в почве за счет отмираю щ их продуктов ф отосинтеза и образования гу­ мусовых веществ связы вается масса углерода, соизмерим ая с массой этого элемента в атм осфере.

Главной формой нахож дения углерода в земной коре является Ск. Главным резервуаром углерода служ и т осадочная толщ а земной коры (стратисфера).

Карбонатообразование и ф отосинтез — это два генеральны х про­ цесса в глобальной деятельности живого вещ ества на протяж ении пос­ ледних 3 млрд лет. Соотнош ение С к и С явл яется важ ны м показате­ лем «лимита роста» живого вещ ества на разны х этапах геологической истории. Это соотнош ение закономерно уменьш алось на протяж ении последних полутора м и лли ард ов лет. В толщ е осадков п ротерозоя ( 1500—570 млн лет) отношение Ск :С равно 18, в осадочной толще палео­ зоя (570—400 млн лет) — 11, в осадках мезозоя (235— 66 млн лет) — 5,2, кайнозоя — 2,9. В озрастание органики во взвесях, выносимых рекам и с древней суши, свидетельствует о прогрессирую щ ем увеличении про­ дуктивности ф отосинтезирую щ их организмов и усилении роли расти ­ тельности Мировой суш и в глобальной ф иксации углерода С 0 2.

В осадочных породах углерод п р и су тств у ет в виде карбонатов (до 80 %) и органического вещ ества (до 20 %) и находится как в рассеян ­ ной форме, так и в концентрированной, вклю чая залеж и горючих по­ лезных ископаемых. В гидросф ере более 90 % углерода представлено в карбонатной форме, около 9 % — в виде растворенного органического вещества. Углерод найден в м етеоритах, обнаруж ен в кометах и в а т ­ мосферах других планет в ф орм е СО., и в виде органических соедине­ ний CH, CN, CS., и более сложных.

3.2.ОСНОВНЫ Е ЦИКЛЫ УГЛЕРОДА НА ЗЕМ ЛЕ

3.2.1.О бщ ий гл о б ал ьн ы й ц и кл у г л е р о д а

Углеводороды, как и все горючие полезные ископаемые, яв ­ ляются продуктом взаимодействия геосфер. Вся история их формирова­ ния и разруш ения является частью общего глобального цикла углерода. Углерод наиболее ярко отраж ает связь биосферы с глубинными частями

Земли. Н епрерывное поступление углерода в атм осф еру балансируется его непрерывным удалением Из атм осф еры в гидросферу и осадоЧНуЮ оболочку планеты. Углерод — один из элементов, образую щ их Нсивое вещ ество Земли. Х ранители углерода — ж и вая биомасса, гумус, Карбо­ натные осадочные породы, горючие полезные ископаемые и др.

На рис. 3.2 схематично представлена последовательная эволюция органического вещ ества (ОВ) хак в рассеянной, так и в концентриро­ ванной ф орм е от момента его возникновения в ж ивом вещ естве, захо­ ронения и преобразования в диагенезе, затем трансф орм ации в катаге­ незе до конечных продуктов преобразования ОВ — граф ита и метана.

Рис. 3.2. Малый и большой глобальные циклы органического углерода на Земле

М алый глобальный цикл продолжительностью от нескольких суток до нескольких ты сяч лет происходит в биосфере. Этот цикл ещ е называ­ ют биотическим круговоротом вещ ества, потому что он происходит при участии ж ивы х организмов: растений, ж ивотных, микроорганизмов.

Этот цикл явл яется поставщ иком углерода д л я большого глобаль­ ного ц и к л а п р о д о л ж и тел ьн о стью м ногие м и ллионы л е т (рис. 3.3). Н еотъемлемы м элементом этого цикла явл яется неф те- и газообразо­ вание. При условии длительного и устойчивого погруж ения осадочных пород углеводороды являю тся продуктом пром еж уточной стадии гло­ бального углеродного цикла.

Неф тегазообразование — это сл о ж н ая совокупность протека& знтк

внедрах процессов, ход которых в природе не м ож ет быть наблюдае­ мым. Видны лиш ь ф иксированны е результаты этих процессов, запе-

чатленные в некотором пространстве осадочных пород. Естественным пространством, в котором осущ ествляю тся процессы неф тегазогенерации. является н е ф т е газо м а те р и н с к а я с в и т а (НГМ -свита).

Солнечная энергия

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

Поступление ювенильной магмы

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

Тепловая энергия Темли

Рис. 3.3. Схема большого круговорота вещества в пределах геосфер

Хозяйственная деятельность человека ускоряет биотический кру ­ говорот углерода. Техногенная углекислота составляет примерно 2 • Ю10 т, что намного меньш е природны х поступлений. Однако дальнейш ая ин­ тенсификация этой деятельности м ож ет сопровож даться повышением концентрации диоксида углерода в атм осф ере до опасного уровня 0,07 %, при котором резко ухудш аю тся условия ды хания человека и животных.

ет. а накапливает солнечную энергию . Это ф о т о с и н т е з , создаю щ ий органическое вещество. В запасании и связы вании солнечной энергии заключается основная планетарная ф ункция живого вещ ества. В аж ней­ шей особенностью биосферы явл яется сущ ествование потоков энергии

ивещества.

Вэкосистемах перенос вещ ества и энергии осущ ествляется посред­ ством трофических (пищевых) цепей, за счет чего все химические элемен-

ты, из которых построены организмы, многократно используются в био­ сфере. Сущность биотического круговорота заклю чается в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращ ении ОВ при разлож ении вновь в неорганические соединения. Ж ивое вещество рождается, изменяется и умирает, обеспечивая тем са­ мым биогеохимический (биотический) круговорот вещ ества и энергии.

В аж нейш им элементом биосф еры является биогеоценоз (экосисте­ ма), как целостное образование, в котором организмы и неорганические ф акторы вы ступаю т компонентами в устойчивом состоянии. В основе каждого биогеоценоза л еж ат автотроф ны е организмы или продуцен­ т ы — это растения, которы е в процессе ф отосинтеза создаю т органи­ ческие соединения из просты х неорганических соединений. К проду­ центам относятся зелены е растения, сине-зелены е водоросли и фотосинтезирую щ ие бактерии.

Д алее в экосистеме энергия по пищевой (трофической) цепи передается консумен- т а м — гетеротроф ам , которы е питаются продуцентами. О тмерш ие организмы и рас­ тения разлагаю тся ред уц ен там и на мине­ ральны е вещ ества, которые в дальнейшем используется растениями для питания. Схе­ ма биохимического круговорота вещества и энергии в экосистеме приведена на рис. 3.4.

Энергия и вещ ество в п ределах экосис­ тем ы п ер ед ается с одного трофического уровня на другой. П ищ евая цепь — путь однонаправленного потока энергии, погло­ щ енной в процессе ф отосинтеза, через жи­ вые организмы в окруж аю щ ую среду в виде тепловой энергии. С каждого трофического

уровня на следую щ ий уровень передается только небольш ая часть энер­ гии. П ри каж дом очередном переходе больш ая часть энергии (до 90 %) теряется, переходя в тепло. К ром е того, при переходе с уровня на уро­ вень часть органического вещ ества исклю чается из круговорота и ухо­ дит в геологический запас. В резул ьтате происходит накопление орга­ нических вещ еств в осадочных породах.

Общее количество солнечной энергии, ежегодно поступающей на Зем­ лю, составляет прим ерно 2 ■1024 Д ж , аккум ули руется растениями — 1,9 ■1021 Дж . Е ж егодно р а зл а г а е т с я ф отох и м и чески м путем около 130 м лрд т воды и вы деляется в окруж аю щ ую среду 115 млрд т кисло-

П ервоисточником энергии в природе является Солнце, но его

энергию могут усваивать только ф отосинтетики, а все остальны е орга­ низмы могут получать эту энергию лиш ь опосредованно.

К лю чевы е процессы, определяю щ ие разницу м еж ду ж ивой и неж и ­ вой природой, происходят на клеточном уровне. Н епременны м услови­ ем ж изни является связь ж ивой клетки с окруж аю щ ей средой. Обмен вещ еств (метаболизм) — это ф ундам ентальное свойство ж ивы х орга­ низмов. Энергия не зарож д ается внутри самих клеток — она поступает извне. Реш аю щ ую роль в трансф орм ации и переносе энергии внутри растительной и ж ивой клетки играет движ ение электронов.

К л е т к а — основная единица ж и зн и , которая непреры вно работа­ ет для поддерж ан и я своей структуры , а потому н уж д ается в постоян­ ном притоке свободной энергии. Р астен и я и ж и вы е организм ы пред­ ставляю т собой незам кнуты е системы : к аж д ая ж и вая клетка непре­ ры вно пополняет свои энергетические запасы . В селенная наполнена энергией, но для растений и ж и вы х организмов подходят лиш ь немно­ гие ее виды. Основной источник энергии д л я больш инства биологичес­ ких процессов на наш ей планете — это солнечны й свет. Технологи­ чески эта задача р еш ается непросто, поскольку ж и вая клетка должна использовать энергию при довольно низкой тем п ературе в разбавлен ­ ной водной среде.

В ходе эволюции сф орм ировались соверш енны е м олекулярны е ме­ ханизмы : КП Д клеточной энергетики намного вы ш е, чем у любых ин­

женерны х устройств.

Фо т о с и н т е з — важ нейш ая составная часть ж изни растений. В от­ личие от ж ивотны х, которые использую т готовые органические веще­ ства, растения создаю т их сами, и спользуя просты е неорганические

соединения и солнечную энергию. И з м олекул СО., строятся углерод­ ные цепи углеводов и всех необходимых для ж изни органических ве­ ществ. И сточником водорода для этих соединений является вода. Со­ здание м олекул органических соединений из СО., и Н 90 соверш ается в слож нейш ем биологическом аппарате зеленого листа растений, назы­ ваемом аппаратом фотосинтеза.

В результате ф отосинтеза в зелены х ли стьях растений с помощью энергии света из углекислого газа и воды образую тся энергетически богатые углеводы и вы деляется кислород.

онный центр; цепь транспорта электронов; механизм сопряж ения транс­ порта с трансмембранным переносом протонов и синтезом АТФ .

В листьях зеленых растений все названные компоненты фотосин­ тезирующего аппарата строго упорядоченно расположены в мембранах особых внутриклеточных частиц — т илакоидов.

Процесс фотосинтеза начинается с того, что в молекулах пигмента квант света (фотон) возбуждает один из электронов. М олекулы пигмента работают не в одиночку: сотни таких частиц организованы в светособи­ рающие антенны. Фотон исчезает, а его энергия переводит электрон молекулы пигмента на более высокую орбиталь. Возбужденный элект­ рон приобретает восстановительную мощность (потенциал) около 1 В.

Возбужденный электрон передается по цепочке м олекул-трансф ор­ маторов, отдавая на каждом шагу часть своей энергии на работу по пе­ реносу протонов через мембрану. К ак только электрон доходит до мо­ лекулы-акцептора, он утрачивает оставшуюся часть неизрасходован­ ной полученной энергии, которая переходит в кол еб ан и я легких атомных групп белка-акцептора. Смещение расстояний, которое при этом происходит у колеблющихся ядер, составляет около 1 нм. Поте­ рявший энергию электрон возвращ ается к молекуле пигмента. Возбуж ­ денный электрон живет всего 5 наносекунд (5 • 10~9 с). Если за это время его энергия не переходит дальше по цепи молекул-трансформаторов, она испускается в виде флуоресценции.

Энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде высо­ коэнергетических связей. В частности, часть энергии аккум улируется в форме мембранного потенциала, с помощью которого в результате ступенчатого окисления глюкозы образуется АТФ. В дальнейш ем АТФ, как посредник для передачи химической энергии, охотно отдает свои фосфатные группы либо молекулам воды, либо другим молекулам . Кроме того, энергия накапливается в молекулах ещ е одного энергоем­ кого вещества — NADPH — и используется для синтеза сахаров.

В клетках животных и растений непрерывно происходит образова­ ние АТФ как в темноте, так и в на свету, а такж е его гидролиз. Реакция гидролиза АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) в клетках протекает как ферментативная экзотермическая реакция

АТФ + Н20 -> АДФ + Н3Р 0 4 +40 кД ж /м оль.

Эта реакция является главным источником энергии д л я протекания всех биохимических реакций, которые идут против градиента термо­ динамического потенциала. Развитие представлений в области энерге­ тики живых систем важно не только для понимания механизм а появ-

32 . Основные циклы углерода на Земле

ления месторождений углеводородов, но и понимания человеком свое­ го места во Вселенной.

Из приведенной реакции ф отосинтеза видно, что связы вание 1 г уг­ лерода в органическое вещ ество сопровождается выделением 2,7 г кис­ лорода в результате расщ епления молекул воды. За всю историю ф ото­ синтеза в осадочной оболочке Зем ли накоплено около 15 • 101Г) т органи­ ческого углерода (С ). Следовательно, за это ж е время при фотосинтезе выделилось 40 Ю 1Г>т кислорода. И з этого количества 1,2 ■1015 т кисло­ рода содержится в атм осф ере, а остальное количество израсходовано на процессы окисления. П родуктивность растительности Мировой суш и по выделению кислорода составляет 165 млрд т/год. Ф отосинтез в оке­ ане поставляет в атм осф еру кислорода до 130 млрд т/го д (при продук­ ции Сорг до 60 млрд т/год). Суммарное вы деление кислорода ф отосин­ тетиками суши и океана составляет около 300 *109 т/год.

В настоящее врем я в процессе ф отосинтеза растительностью на суше и ф отосинтетиками в океане на протяж ении года расщ еп ляется около 0,2* 1012 т воды и в органическом вещ естве связы вается при м ер ­ но 0,035 *1012 т водорода.

Живое вещ ество состоит преим ущ ественно из углерода, кислоро­ да и водорода. Свободный м олекулярны й кислород явл яется продук­ том жизненных процессов. Э лем ентарны е процессы, происходящ ие в живой природе, по сущ еству, те ж е самы е, что и в неживой. Это — п е ­ ренос электронов, протонов, атом но-м олекулярны х частиц. И тут и там происходит поглощение и отраж ен и е света, воздействие грави тац и ­ онного, магнитного и электрического полей. Ж и зн ь начинается с эл ек ­ тронов и атомов, в которы х реали зую тся процессы возбуж дения и в за ­ имодействия. В ходе эволю ции элем енты простейш ей ж изни просты х материальных объектов услож нились до соверш енства, залож енного в Человеке.

3.2.4.О р ган и ч еск о е в е щ е с тв о в о с а д о ч н ы х п о р о д ах

Органическое вещ ество (ОВ) явл яется обязательной состав­ ляющей практически всех осадочных образований. Среднее содерж а­ ние (кларк) некарбонатного или органического углерода С орг в осадоч­ ных породах составляет около 0,6 %, что соответствует 15 к г/м 3.

Присутствие органического углерода С свойственно всем осадкам: его содержание колеблется по стратиграф ическом у разрезу, достигая максимума в кайнозое, при этом в глинистых породах содерж ание Сорг в четыре раза больше, чем в песчаны х породах. Н апример, в пределах

Русской платф орм ы отмечено следую щ ее возрастание содерж ания С от протерозойских пород к кайнозойским: PR — 0,18 %; PZ — 0,34 %; (MZ + KZ) — 0,64%. Для глин соответственно больше: 0,35%; 0,70 %, 0,94%

Р асп р едел ен и е О Б в осадочны х породах крайне неравном ерное: вы деляю тся две группы: рассеянное ОВ и концентрированное ОВ. Гра­ ница м еж ду ними проведена условно по содерж анию органического уг­ лерода 2,5 %, что в четы ре раза вы ш е кларка. В глинисто-карбонатных породах содерж ание Сорг > 5 %, то есть на порядок превы ш ает кларк, в горючих сланцах концентрация С колеблется в пределах 15— 25 %.

На рис. 3.6 приведено распределение в осадках масс рассеянного С()рг начиная с отлож ений верхней юры. М аксимальная масса С отмечена для отлож ений K v причем для континентов и акваторий характер рас­ пределения сходен.

Массы Cüpr Ю'-'т

Рис. 3.6. Распределение рассеянного органического углерода в осадках кон­ тинентов и океанов

Ф орма нахож дения и м орфология ОВ в осадочных породах также различны . В ы деляю тся следую щ ие ф ормы ОВ:

• морфологически оф ормленны й растительны й детрит;